JP2011258994A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光効率の高い発光ダイオードを得ることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】 ＧａＮで形成された下地層２０と、下地層上に形成され、下地層よりも格子定数が小さいＩｎＡｌＧａＮで形成された障壁層と下地層よりも格子定数が大きいＩｎＧａＮで形成された量子井戸層とが交互に積層された発光層３０と、を備える発光ダイオードであって、１００Ａ／ｃｍ² 以上の電流密度で作動させ、障壁層でＡｌ組成又はＩｎ組成が傾斜している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

近年、ＩｎＧａＮ系の半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）の研究開発が進められている（特許文献１参照）。しかしながら、ＩｎＧａＮ系の半導体を用いた発光ダイオードでは、発光効率の高い高輝度の緑色を得ることが難しいという問題がある。

特開２００２−４３６１８号公報

本発明は、発光効率の高い発光ダイオードを得ることが可能な半導体装置を提供することを目的としている。

本発明の一視点に係る半導体装置は、下地層と、前記下地層上に形成され、ＩｎＡｌＧａＮで形成された障壁層とＩｎＧａＮで形成された量子井戸層とが交互に積層された発光層と、を備える。

本発明によれば、発光効率の高い発光ダイオードを得ることが可能な半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の基本的な構成を模式的に示した断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係り、発光層の詳細な構成を模式的に示した断面図である。 図３は、格子定数とバンドギャップとの関係を示した図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の測定結果を示した図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の第１の比較例に係る半導体装置の測定結果を示した図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の第２の比較例に係る半導体装置の測定結果を示した図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（発光ダイオード）の基本的な構成を模式的に示した断面図である。図１に示した半導体装置は、基板１０と、基板１０上に形成された下地層２０と、下地層２０上に形成された発光層３０によって構成されている。

基板１０にはサファイア基板が用いられ、サファイア基板１０の上面（素子形成面）はサファイア結晶の（０００１）面すなわちＣ面となっている。サファイア基板１０の上面（Ｃ面）上には、下地層２０としてＧａＮ層が形成されている。ＧａＮ層２０上には、多重量子井戸構造を有する発光層３０が形成されている。

図２は、図１に示した発光層３０の詳細な構成を模式的に示した断面図である。なお、図２では、便宜上、発光層３０の１周期分のみを示しているが、実際には図２に示した発光層３０が２周期以上積層されている。図２に示すように、発光層３０は、障壁層（バリア層）３１、中間層３２、量子井戸層３３、中間層３４及び障壁層（バリア層）３５の積層構造によって構成されている。

障壁層３１は、ＩｎＡｌＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表される）で形成されており、厚さは１２．５ｎｍである。具体的には、障壁層３１は、Ｉｎ_0.02Ａｌ_0.33Ｇａ_0.65Ｎで形成されている。

中間層３２は、ＩｎＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）と表される）で形成されており、厚さは０．５ｎｍである。具体的には、中間層３２は、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎで形成されている。

量子井戸層３３は、ＩｎＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）と表される）で形成されており、厚さは２．５ｎｍである。具体的には、量子井戸層３３は、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎで形成されている。

中間層３４は、ＩｎＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）と表される）で形成されており、厚さは０．５ｎｍである。具体的には、中間層３４は、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎで形成されている。

障壁層３５は、ＩｎＡｌＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表される）で形成されており、厚さは１１．５ｎｍである。具体的には、障壁層３５は、Ｉｎ_0.02Ａｌ_0.33Ｇａ_0.65Ｎで形成されている。

本実施形態では、図２の積層構造が５周期分形成されている。そして、最上層には、キャップ層として、厚さは１５ｎｍのＩｎＡｌＧａＮ（一般的には、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表される）層が形成されている。具体的には、キャップ層は、Ｉｎ_0.02Ａｌ_0.33Ｇａ_0.65Ｎで形成されている。

なお、上述した構造は、サファイア基板１０の実質的に（０００１）面（すなわちＣ面）上に、下地層２０及び発光層３０をエピタキシャル成長させることで形成される。具体的には、エピタキシャル成長法として、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを用いることが可能である。

上述した本実施形態の半導体装置では、発光効率の高い高輝度の発光ダイオードを得ることが可能である。以下、その理由について説明する。

図３は、化合物半導体における格子定数とバンドギャップ（禁制帯幅）との関係を示した図である。図３からわかるように、ＧａＮよりもＩｎＧａＮの方が格子定数が大きく、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を増加させるにしたがってＩｎＧａＮの格子定数が増加する。したがって、ＧａＮ層上に量子井戸層のようにＩｎ組成が高いＩｎＧａＮ層を成長させた場合、面方向（ａ軸方向）には圧縮歪みが生じ、成長方向（ｃ軸方向）には引っ張り歪みが生じる。この場合、障壁層としてＩｎ組成が低いＩｎＧａＮ層或いはＩｎ組成が低いＩｎＡｌＧａＮ層を設けることで、面方向（ａ軸方向）の圧縮歪みを緩和することが可能である。

しかしながら、障壁層としてＩｎ組成が低いＩｎＧａＮ層を用いた場合には、成長方向（ｃ軸方向）の引っ張り歪みを大きく緩和することはできない。ｃ軸方向の引っ張り歪みが大きいと、圧電分極によるピエゾ電界が大きくなる。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、発光効率が低下する。ｃ軸方向の引っ張り歪みに起因したピエゾ電界は、Ｉｎ組成の増加にしたがって増加する。さらに、ピエゾ電界が大きい場合、量子効率の注入電流密度依存性を調べると、高注入電流密度領域での量子効率の低下が著しく、高注入電流密度で用いる発光ダイオードに適さない。したがって、量子井戸層のＩｎ組成を増加させると、発光効率が低下する。一方、図３からわかるように、発光波長を長波長化させる（バンドギャップを減少させる）ためには、量子井戸層のＩｎ組成を増加させる必要がある。以上のことから、障壁層としてＩｎ組成が低いＩｎＧａＮ層を用いた場合には、発光効率を大幅に低下させることなく、発光波長を長波長化させることは困難である。

これに対して、障壁層としてＩｎ組成が低いＩｎＡｌＧａＮ層を用いた場合には、成長方向（ｃ軸方向）の引っ張り歪みを大きく緩和することができる。そのため、発光波長を長波長化させるために量子井戸層のＩｎ組成を増加させても、発光効率の大幅な低下を抑えることができる。したがって、本実施形態のように、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮ層を用いることにより、発光効率を大幅に低下させずに発光波長を長波長化させることが可能である。また、本実施形態はピエゾ電界を小さくすることができるので、高注入電流密度領域での量子効率の低下を抑えることができ、高注入電流密度かつ高効率の発光ダイオードを提供することが可能である。さらに、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮを用いることで、障壁層のバンドギャップエネルギーが大きくなり、キャリア、特に電子のオーバーフローを抑えることができる。そのため、高注入電流密度で用いる発光ダイオードに最適である。例えば、１００Ａ／ｃｍ² 程度以上の電流密度を有するハイパワーの発光ダイオードを得ることが可能である。

また、本願発明者の実験結果によれば、量子井戸層のＩｎ組成が同じであっても、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮ層を用いた場合には、障壁層としてＩｎＧａＮ層を用いた場合に比べて、発光波長を長波長化できることが確認された。このような観点からも、本実施形態では、発光効率を大幅に低下させずに発光波長を長波長化させることが可能である。逆の観点で言えば、同一発光波長の発光ダイオードを作製する場合、本実施形態では量子井戸層のＩｎ組成を低くすることが可能である。以下、説明を加える。本来は、ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成が同じであれば、発光波長は変化しないはずである。それにもかかわらず、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮ層を用いることで発光波長を長波長化できるのは、以下のような理由ではないかと考えられる。図３からもわかるように、ＡｌＮとＩｎＮとの間のバンドギャップ差及び格子定数差は、ＧａＮとＩｎＮとの間のそれに比べて大きい。そのため、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮ層を用いた場合には、熱力学的な組成変調が生じやすい。そのため、局所的にＩｎ組成の高いＩｎＧａＮ層が形成され、発光波長を長波長化させることができるのではないかと考えられる。量子井戸層のＩｎ組成を低くすることができるため、熱力学的な組成変調が抑制され、熱力学的にも安定した結晶となるため、高信頼性の半導体装置を提供可能となる。また、量子井戸層のＩｎ組成を低くすることができるため、量子井戸層の膜厚を厚くすることが可能であり、量子井戸層１つあたりの電流密度を低くすることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、障壁層としてＩｎＡｌＧａＮ層を用いることにより、発光効率を大幅に低下させずに発光波長を長波長化させることが可能である。その結果、従来困難であった発光効率の高い緑色光を得ることが可能となる。

また、本実施形態では、図２に示すように、障壁層３１と量子井戸層３３との間に中間層３２を設け、障壁層３５と量子井戸層３３との間に中間層３４を設けている。このように、障壁層と量子井戸層との間に中間層を介在させることにより、障壁層と量子井戸層との間の格子不整合を抑制することができる。その結果、相分離や欠陥の発生を抑制することができ、発光層の発光効率を向上させることが可能である。以下、この点について説明する。

図３に示すように、ＡｌＮとＩｎＮの格子定数差は大きい。また、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成はある程度高く、ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成はある程度高い。そのため、中間層を介さずにＩｎＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ量子井戸層とを積層すると、障壁層のＡｌＮと量子井戸層のＩｎＮとが直接的に接する状況が生じやすい。その結果、急激な格子不整合が生じ、障壁層と量子井戸層との界面近傍で相分離や結晶欠陥が生じやすくなる。本実施形態では、障壁層と量子井戸層との間に、バンド構造に影響を及ぼさない程度にＩｎ組成の低いＩｎＧａＮ中間層を介在させている。すなわち、ＩｎＧａＮ中間層では、Ｉｎ組成に比べてＧａ組成の方が格段に高く、ＧａＮが支配的である。図３からわかるように、ＧａＮは、ＡｌＮの格子定数とＩｎＮの格子定数の中間的な格子定数を有している。したがって、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ量子井戸層との間にＩｎＧａＮ中間層を介在させることで、障壁層と量子井戸層との間の急激な格子不整合を抑制することができる。その結果、相分離や欠陥の発生を抑制することができ、発光効率を向上させることが可能となる。

図４は、本実施形態に係る半導体装置（発光ダイオード）の測定結果を示した図である。具体的には、顕微フォトルミネッセンス（ＰＬ）による測定結果を示した図である。図４に示すように、中心波長が４９５ｎｍである非常に発光強度の強い緑色の発光スペクトルが得られた。

図５は、本実施形態の第１の比較例に係る半導体装置（発光ダイオード）の測定結果を示した図である。第１の比較例では、障壁層をＩｎＧａＮで形成するとともに、発光波長を長波長化するために、量子井戸層のＩｎ組成を０．３５と高くしている。本実施形態に比べて、比較例では発光強度が大きく低下している。比較例では、長波長化をはかるために量子井戸層のＩｎ組成を高くしているため、すでに述べたような理由から発光効率が大幅に低下していると考えられる。

図６は、本実施形態の第２の比較例に係る半導体装置（発光ダイオード）の測定結果を示した図である。第２の比較例では、中間層を設けずに障壁層と量子井戸層とを積層している。本実施形態に比べて、比較例では発光強度が大きく低下している。比較例では、中間層を介さずに障壁層と量子井戸層とを直接積層しているため、すでに述べたような理由から発光効率が大幅に低下していると考えられる。

なお、一般的には、障壁層のＡｌ組成は０．２〜０．４の範囲であることが好ましく、障壁層のＩｎ組成は０．０１〜０．０５の範囲であることが好ましい。障壁層の膜厚は、４〜２０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、中間層は、障壁層と同じ又は障壁層よりも高いＩｎ組成を有することが好ましい。特に、中間層のＩｎ組成は障壁層のＩｎ組成と同等の０．０１〜０．０５の範囲であることが好ましい。このようにすることで、急激な格子不整合が抑制され、相分離や欠陥の発生を効果的に抑制することができる。また、量子井戸層のＩｎ組成は０．１〜０．３の範囲であることが好ましい。量子井戸層のＩｎ組成を０．３よりも高くすると、ピエゾ電界の影響が顕著となり、発光効率が大幅に低下するおそれがあるためである。量子井戸層のＩｎ組成を０．３以下とし、障壁層のＡｌ組成を調整することで発光波長を制御することが好ましい。また、中間層の厚さは、０．５〜１．５ｎｍの範囲であることが好ましい。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、基本的な構成は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項については説明を省略する。

図７は、本実施形態に係る半導体装置（発光ダイオード）の構成を模式的に示した断面図である。

基板１０にはサファイア基板が用いられ、サファイア基板１０の上面（素子形成面）はサファイア結晶の（０００１）面すなわちＣ面となっている。サファイア基板１０の上面（Ｃ面）上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１、ｎ型ＧａＮガイド層２２、多重量子井戸構造を有する発光層３０、ｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層４１、ｐ型ＧａＮ層４２、及びｐ型ＧａＮコンタクト層４３が積層されている。また、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１の露出面上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極５０が形成されている。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３の表面には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極６０が形成されている。発光層３０の構造は、第１の実施形態で説明した構造と同様である。

オーバーフロー防止層は、特に、例えば１００Ａ／ｃｍ² 程度以上の電流密度を有するハイパワーの発光ダイオードにおいて有効である。オーバーフロー防止層としては、上記の例以外に例えば、ｐ−Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０≦ｕ＜１，０＜ｖ＜１）の組成を有する層があげられる。このときオーバーフロー防止層は、その目的のために障壁層よりも高いＡｌ組成を有することが望ましい。

本実施形態においても、発光層３０の構造が第１の実施形態で説明した構造と同様であるため、第１の実施形態で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

以下、本実施形態の半導体装置（発光ダイオード）の製造方法について説明する。

本半導体装置の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成する。原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いることができる。ガス原料としては、アンモニア（ＮＨ₃）、シラン（ＳｉＨ₄）を用いることができる。キャリアガスとしては、水素及び窒素を用いることができる。

まず、有機洗浄及び酸洗浄によって処理したサファイア基板を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波によって加熱されるサセプタ上に設置する。続いて、常圧の窒素／水素雰囲気下において、温度１１００℃まで約１２分かけて昇温する。昇温過程において、基板表面に対して気相エッチングを施し、基板表面の自然酸化膜を除去する。

次に、キャリアガスとして窒素／水素を用い、アンモニアを６Ｌ／分、ＴＭＧを５０ｃｃ／分、ＳｉＨ₄を１０ｃｃ／分の流量で６０分間供給し、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１を形成する。続いて、温度を１０６０℃まで降下するとともに、ＳｉＨ₄を３ｃｃ／分まで下げ、約３分間でｎ型ＧａＮガイド層２２を形成する。

次に、ＴＭＧ及びＳｉＨ₄の供給を停止し、基板温度を８００℃まで下げる。キャリアガスを窒素のみに切り替え、アンモニアを１２Ｌ／分、ＴＭＧを３ｃｃ／分の流量で供給する。この中に、ＴＭＩを５ｃｃ／分、ＳｉＨ４を１ｃｃ／分の流量で２分間供給した後、さらにＴＭＡを１６ｃｃ／分の流量で追加、１２分間供給する。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧ及びＳｉＨ₄の供給はそのままで２分間の成長を行う。その後、ＴＭＩの供給量を８０ｃｃ／分に増加させ、４０秒の成長を行う。これらの一連の処理を５回繰り返して行い、最後にＴＭＧを３ｃｃ／分、ＴＭＩを５ｃｃ／分の流量で約１４分間供給することにより、多重量子井戸構造を有する発光層３０を形成する。なお、同一構造で５回繰り返す以外にも、ＴＭＧ、ＴＭＡ或いはＴＭＩの流量を変化させ、障壁層３１や中間層３２でＡｌ組成やＩｎ組成を傾斜させてもよい。また、多重量子井戸構造の周期も５に限定されることなく、２〜１０の範囲で選択可能である。

次に、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止し、窒素とアンモニアはそのままで１０３０℃まで昇温する。温度を１０３０℃に保持した状態で、窒素／水素雰囲気下にてアンモニアを４Ｌ／分の流量に切り替える。その中に、ＴＭＧを２５ｃｃ／分、ＴＭＡを約３０ｃｃ／分、Ｃｐ₂Ｍｇを６ｃｃ／分の流量で約１分間供給し、ｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層４１を形成する。なお、ｐ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成は、０．２以上であればよいが、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層３１のＡｌ組成よりも高いことが望ましい。これにより、電子のオーバーフローを格段に抑えることができ、特に高電流密度で用いる半導体装置に望ましい。

次に、上記の状態からＴＭＡのみ供給を停止し、Ｃｐ₂Ｍｇを８ｃｃ／分の流量に切り替えて約６分供給することにより、ｐ型ＧａＮ層４２を形成する。

次に、上記の状態からＣｐ₂Ｍｇを５０ｃｃ／分の流量で約３分間供給し、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３を形成する。続いて、有機金属原料の供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、基板温度を自然降温する。ただし、アンモニアの供給は基板温度が５００℃に達した際に停止する。

次に、上記のようにして得られた多層構造の一部をｎ型ＧａＮコンタクト層２１に達するまでドライエッチングによって除去し、露出したコンタクト層２１にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極５０を形成する。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３上には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極６０を形成する。

次に、上記のようにして得られた構造を実装した半導体装置（発光ダイオード）に対して、Ｉ−Ｖ特性を測定したところ、良好な特性が得られた。この発光ダイオードの動作電圧は２０ｍＡ時で３．５〜４Ｖ、光出力は１０ｍＷであった。また、波長測定を行なったところ、波長中心が５００ｎｍのピークが得られた。

なお、上述した第１及び第２の実施形態では、基板としてサファイア基板を用いたが、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板等を用いることも可能である。また、素子形成面はＣ面に限定されるものではなく、非極性面上に各層を形成することも可能である。また、ウエハの裏面側に電極を設けた構造を適用することも可能である。さらに、発光効率の高い緑色発光ダイオードのみならず、発光効率の高い青色発光ダイオードを得ることも可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。

１０…基板 ２０…下地層
２１…ｎ型ＧａＮコンタクト層 ２２…ｎ型ＧａＮガイド層
３０…発光層 ３１…障壁層 ３２…中間層
３３…量子井戸層 ３４…中間層 ３５…障壁層
４１…ｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層
４２…ｐ型ＧａＮ層 ４３…ｐ型ＧａＮコンタクト層
５０…ｎ側電極 ６０…ｐ側電極

Claims (6)

1. ＧａＮで形成された下地層と、
   前記下地層上に形成され、前記下地層よりも格子定数が小さいＩｎＡｌＧａＮで形成された障壁層と前記下地層よりも格子定数が大きいＩｎＧａＮで形成された量子井戸層とが交互に積層された発光層と、
   を備える発光ダイオードであって、
   １００Ａ／ｃｍ² 以上の電流密度で作動させ、
   前記障壁層でＡｌ組成又はＩｎ組成が傾斜している
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記障壁層は、前記量子井戸層よりも低いＩｎ組成を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 互いに隣接する前記障壁層と前記量子井戸層との間に設けられ、ＩｎＧａＮで形成され且つ前記量子井戸層よりも低いＩｎ組成を有する中間層をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記発光層上に形成され、前記障壁層よりも高いＡｌ組成を有するオーバーフロー防止層をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記発光層上に形成された、ｐ−Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０≦ｕ＜１，０＜ｖ＜１）層をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記下地層は、基板の実質的に（０００１）面上に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。

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